申请/专利权人：夏普生命科学(欧洲)有限公司

申请日：2018-05-30

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN108970654B

主分类号：B01L3/00(20060101)

分类号：B01L3/00(20060101);B01L7/00(20060101);C12Q1/686(20180101)

优先权：["20170530 US 15/607,940"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.01.04#实质审查的生效;2018.12.11#公开

摘要：微流控系统被配置用于通过组合空间和时间温度控制来进行增强温度控制。微流控系统包括介质上电润湿EWOD器件，其包括被配置为接收一个或多个液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制施加到元件阵列的致动电压以执行液滴的操纵操作；以及多个热控制元件，位于沿EWOD器件的不同空间位置处，至少一个热控制元件的温度对于时间可变。所述控制系统包括热控制单元，所述热控制单元被配置为控制所述热控制元件的温度以生成位于沿着所述EWOD器件的不同空间位置处的多个热区，其中至少一个热区的温度随时间可变。

主权项：1.一种微流控系统，包括：介质上电润湿EWOD器件，其包括被配置为在所述EWOD器件的EWOD通道内接收一个或多个液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制施加到元件阵列的致动电压以执行关于液滴的操纵操作；以及多个热控制元件，位于沿EWOD器件的不同空间位置处，至少一个热控制元件是温度能够相对于时间变化的时间可变热控制元件，其中所述控制系统包括热控制单元，所述热控制单元被配置为通过控制所述多个热控制元件的温度以执行以下步骤来控制所述EWOD通道内的温度：在所述EWOD通道内的第一空间位置处生成第一热区，所述第一热区被控制为具有在第一时间处的第一温度；在所述EWOD通道内的第二空间位置处生成第二热区，所述第二空间位置不同于所述第一空间位置，所述第二热区被控制为具有在所述第一时间处的第二温度，其中所述第二热区包括所述时间可变热控制元件；以及通过改变所述时间可变热控制元件的温度来将所述第二热区的温度随时间改变到在第二时间处的第三温度；以及所述控制系统被配置为将致动电压施加到所述EWOD器件的所述元件阵列，以在所述第一热区和所述第二热区之间的所述EWOD通道内移动液滴，其中所述液滴的温度呈现所述第一热区或所述第二热区中所述液滴所在的那个热区的温度。

全文数据：具有多个温度区和増强的温度控制的微流控器件技术领域[0001]本发明涉及液滴微流控器件，并且更具体地，涉及有源矩阵介质上电润湿AM-EW0D器件和结构以及用于对这种器件中的多个温度区进行增强温度控制的控制方法。背景技术[0002]介质上电润湿EWOD是用于通过施加电场来操纵液滴的公知技术。有源矩阵EWODAM-EWOD是指例如通过使用薄膜晶体管（TFT，在包含晶体管的有源矩阵阵列中实现EW0D。因此，它是用于芯片上实验室技术的数字微流控的候选技术。对该技术的基本原理的介绍可以在以下文献中找到：“Digitalmicrofluidics:isatruelab-on-a-chippossible?”，R.B.Fair，MicrofIuidNanofluid20073:245-281·[0003]图I在横截面中示出常规EW㈤器件的一部分。该器件包括下基板10,其最上层由导电材料形成，导电材料被图案化以便实现多个阵列元件电极12例如，图1中的12A和12B。给定阵列元件的电极可以称为元件电极12。包括极性材料通常也是水性的和或离子的）的液滴14被约束在下基板10和顶基板16之间的平面中。可以通过间隔物18实现两个基板之间的合适的间隙，并且非极性围绕流体20例如油可用于占据未被液滴14占据的容积。设置在下基板10上的绝缘体层22将导电元件电极12A、12B与第一疏水涂层24分离，液滴14以Θ表示的接触角26位于第一疏水涂层24上。疏水涂层由疏水材料通常但不一定是含氟聚合物形成。[0004]在顶基板16上是第二疏水涂层28,液滴14可以与第二疏水涂层28接触。在顶基板16和第二疏水涂层28之间插入参考电极30。[0005]接触角Θ如图1所示限定，并且由固体到液体（γSL、液体到非极性围绕流体（γLC和固体到非极性围绕流体（γsc界面之间的表面张力分量的平衡来确定，并且在没有施加电压的情况下满足杨氏定律，方程由下式给出：[0007]在操作中，可以将称为EW驱动电压（例如，图1中的VT、VQ和Voo的电压从外部施加到不同的电极例如，分别施加到参考电极30、元件电极12、12Α和12Β。所建立的最终电力有效地控制疏水涂层24的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压例如，Vo和Vqq施加到不同的元件电极例如，12Α和12Β，液滴14可以在两个基板10和16之间的横向平面中移动。[0008]EWOD器件的示例配置和操作在下文进行描述。US6911132Pamula等人，2005年6月28日授权）公开了一种用于在两个维度上控制液滴的位置和移动的二维EWOD阵列。US6565727Shenderov，2003年5月20日授权还公开了用于其他液滴操作包括液滴的分裂和合并，以及将不同材料的液滴混合在一起的方法。US7163612Sterling等人，2007年1月16日授权描述了可以如何使用基于TFT的薄膜电子器件来通过使用与AM显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制对EWOD阵列的电压脉冲的寻址。[0009]US7163612的方法可以称为“ActiveMatrixFlectrowettingonDielectric”AM-EWOD。使用基于TFT的薄膜电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：[0010]电子驱动电路可以集成在下基板10上。[0011]基于TFT的薄膜电子器件非常适合于AM-EWOD应用。它们生产便宜，从而可以以相对低的成本生产相对大的基板面积。[0012]以标准工艺制造的TFT可以被设计为在比以标准CMOS工艺制造的晶体管高得多的电压下操作。这是重要的，因为许多EWOD技术需要施加超过20V的电润湿电压。[0013]EW㈤液滴操纵器件是用于化学生化反应的自动化的非常理想的平台。这种器件可以在需要复杂液滴温度分布的液滴中进行化学生化反应或反应序列。反应的不同步骤可能需要在不同的温度下进行。EWOD器件的许多应用需要样品试剂液滴（以及通过将它们组合在一起产生的产物）的温度变化以促进期望的化学或生化反应。许多这些反应方案要求在反应序列的不同时间使液滴具有多个不同的温度。许多反应方案要求液滴及时进行热循环，在某些情况下经历许多这样的热循环。在许多反应循环中需要在EWOD器件中的精确温度控制的反应方案的一个重要实例是通过聚合酶链式反应PCR进行的基于液滴的核酸扩增。PCR是用于核酸扩增的众所周知的反应方案。[0014]在EW㈤器件中处理多个温度需求的一种方法是提供多个固定的温度热区。采用这种方法，常规上通常位于EWOD器件外部的温度控制系统被布置为控制EWOD器件的不同部分或“区域”处于不同的且固定的温度处。因此，一旦加热到这样的温度，该温度及时保持恒定。然后，可以通过将液滴移动通过该器件到具有不同温度的位置来修改液滴的温度。这种方法特别用于由具有低导热率的材料例如，玻璃构成的EWOD器件，这是因为由于热量不能如此容易地横向转移通过所述器件的基板材料，所以有可能实现在空间中相对紧密在一起的具有不同温度的区域。因此，用于反应方案的每个必需温度必须被提供在分开的热区中。[0015]作为这种方法的实例，US9452433B2Shenderov等人，2016年9月27日授权描述了一种用于核酸PCR扩增的器件，其包含用于液滴操纵的EWOD器件和具有不同温度的两个或更多个反应区，其保持在特定温度处。同一专利族中的相关专利US9517469B2Shenderov等人，2016年12月13日授权描述了用于PCR的相关方法，其向电润湿阵列中的至少两个反应区提供至少一个反应液滴，每个反应区具有核酸扩增反应所需的不同温度并通过使用这些反应区之间的电润湿来移动液滴。另外，具有不同温度的反应区保持在特定温度处。[0016]另一种方法是及时调整或改变器件温度。在这种方法中，EWOD器件或在器件的区域中）的温度可以随时间变化，即，可以修改整个器件或器件的一些主要部分的温度。发明内容[0017]为了高样品通过量和降低的每个样品的成本，应该最大化用于液滴处理的EWOD器件的面积。EWOD器件非常适合于最小化用于执行液滴操纵方案的样品和试剂的体积，例如，用于样品制备或化学或生化反应和测定。为了最大化样品通过量和或最小化执行该方案的总体成本，期望使EWOD器件的总面积尽可能小，或者等同地使可以在器件上进行处理的液滴的数量最大化（即，最大化每单位时间每芯片面积的反应数量）。对于具有复杂热量需求的液滴反应方案或反应序列，优化液滴处理密度是具有挑战性的。[0018]具有多个固定温度热区以及随时间变化的器件温度的常规方法二者都具有明显的缺点。具有多个固定温度热区通常导致器件区域的低效使用或空间域中的效率低下。一个特定温度的热区可能只对于整个方案中的偶尔步骤是需要的，且对于其余时间，该器件区域是不使用的且实际上是被浪费的。对于具有多个温度步骤的方案，或者具有仅用于整个反应时间的一小部分的一个或多个温度步骤的方案，该缺点可能特别严重。在这种方法中减少固定温度区的数量以提高空间域的效率，否则会导致非优化的液滴温度分布，并且这种区域数量与空间效率之间的这种平衡难以实现。[0019]备选地，具有时间可变的温度器件或多个热区虽然在空间域中提供更多的灵活性，但在时域中是低效的。当EWOD器件的通道中的温度重新平衡时，改变温度通常需要经过明显的“等待时间”。当方案必须暂停时，这通常会导致“死亡时间”，通常持续很多秒或几分钟，尽管温度重新平衡。对于由诸如玻璃之类的具有低导热率的材料构造的EWOD器件，这种缺点可能特别严重。然而，玻璃和类似材料对于制造EWOD器件，特别是AM-EWOD器件是有利的。因此，提供由优选材料制成的具有随时间变化的温度的合适器件也是很难实现的。[0020]时间或空间区域的低效率整体导致器件上可以处理的液滴数量减少，S卩，每单位时间每芯片面积的反应数量减少。因此，用于执行需要在多次反应循环上在EWOD器件中的精确温度控制的反应方案的有效器件尚未充分实现。[0021]本发明提供对EWOD器件中的温度的增强控制，以便优化发生液滴操纵和反应的EWOD通道中的温度。本发明组合了空间和时间温度控制，以提供空间和时间中的协同效率，这是常规配置所不能达到的。EWOD器件控制系统和相关控制方法最小化了所需热区的数量并且使这种热区占据的区域最小化。另外，一个或多个不同的热区的温度可以随时间变化。通过组合空间和时间控制EW㈤器件中的温度，EWOD器件的液滴通道中的温度分布被生成，其被优化用于执行给定的生化化学反应方案或许多循环上的反应序列。以这种方式，反应方案不受影响，并且可以优化热区的数量和尺寸。[0022]微流控系统包括控制系统和EWOD器件，特别是，可选地包括AM-EWOD器件。控制系统包括EWOD控制单元，该EWOD控制单元具有控制电子器件和CPU处理部，以控制器件上液滴的移动。控制系统还包括热区控制单元和至少两个热控制元件。热区控制单元包含用于控制热控制元件的温度以在EWOD器件内生成不同温度控制区的电子器件和处理部。热控制元件可以布置成与EWOD器件热接触，例如，被布置在EWOD器件的外表面上或EWOD器件内，以与EWOD器件的所述表面物理接触。两个或更多个热控制元件可以与EWOD器件的相同表面或相对表面相接触。[0023]根据需要并且如由热区控制单元根据任何期望的反应方案确定的，热控制元件可以能够主动地对EWOD器件进行加热、冷却或加热和冷却二者。加热和或冷却可以通过任何公知的机制来实现。例如，可以通过焦耳加热或电阻加热来进行加热，并且可以通过本领域中已知用于加热和冷却的珀尔帖效应进行冷却。加热和或冷却可以施加到EWOD器件的外表面，其进而控制形成EWOD通道的EWOD器件的两个玻璃基板之间的横向平面中的温度。ETOD通道定义EW㈤器件中约束液滴的区域，并且实际上，在EWOD通道内控制的温度确定位于所述通道内的液滴的温度。[0024]热控制单元被配置为控制热控制元件以在EWOD器件的通道内生成至少两个热区，其中至少一个热区的温度同样是相对于时间可变的。因此，EWOD器件的通道中的温度在空间上和时间上是变化的且受控制的。在化学生化反应方案或反应序列的过程期间，反应混合物的液滴通过热区之间的电润湿移动或保持在给定的热区中。因此，给定液滴的温度是其在通道中的位置和自方案开始以来流逝的时间二者的函数。通过组合空间和温度控制，消除了常规配置的缺点，并且与常规配置相比，液滴操纵和反应的能力在EWOD器件的明显更小的区域上得到最大化。[0025]通过使用多个温度热区结合在一个或多个这样的区域中进行时间温度控制，液滴可以通过横向移动穿过EWOD器件的EWOD通道而在不同温度之间快速转变。另外，一个或多个区域的时间控制允许在方案期间的不同点重新分配不同的温度值。这意味着相同的区域可以用于随方案中的不同时间的不同的反应步骤，其中所述不同的反应步骤通过在调整可变区时在其他空间区处执行的反应步骤来分开。[0026]因此，避免了在仅具有固定温度区的常规配置中常见的器件区域的低效使用。一旦液滴在区域内的给定温度下完成反应步骤并且后续步骤不再需要该温度，则可以将该区域中的温度重新分配至不同的值。与该区域相关联的物理区域因此可以被重新用于在不同温度和不同时间的备选液滴操作。相关地，由于不再需要等待温度调整来执行随后的反应步骤，因此消除了常规时间变化配置中的低效时间使用。通过将反应方案高效地编程到控制系统中，给定区的温度可以在液滴在不同区域中“忙于做别的事情”时改变，例如当在EWOD器件的不同位置中执行液滴操纵方案的一部分或策划步骤时。[0027]结果是协同效应，通过该协同效应，可以在时间和空间上以增强的效率执行多个序列反应的液滴方案，从而与常规配置相比，可以在给定的时间内和在更小的器件区域中执行更多的液滴处理步骤。本发明的益处特别适用于由低热导率的优选基板材料诸如玻璃或类似材料构造的器件。低热导率意味着EWOD通道的热区可以在空间上紧靠在一起。通过使用玻璃基板，EW电极尺寸通常比使用其他基板材料例如，印刷电路板PCB时的要小。因此，玻璃EWOD器件可以操作更小的液滴并且更加空间高效。从热的角度实现器件区域的高效使用，从而在整体更小的器件中实现效率的全面实现。[0028]因此，特别是结合采用玻璃基板的EWOD器件，实现了意想不到的和增强的结果，这对于高质量的AM-EWOD器件是优选的。由于与制造TFT背板相关联的成本，通过减小芯片面积来降低成本是本发明实现的协同优点。AM-EWOD器件优选地用玻璃基板构成，这是因为玻璃基板是用于显示器的标准基板材料并且因此是AM-EWOD制造工厂中可用的基板材料。此夕卜，具有大量的阵列元件和高度可配置性的AM-EWOD器件特别很好地适合于执行复杂的液滴操纵方案，例如PCR。这种高复杂度的液滴操作方案通常需要在一定范围的不同温度下的步骤，并因此特别利用了本发明的优点。[0029]参考以下描述和附图，本发明的这些和其他特征将变得显而易见。在说明书和附图中，已经详细公开了本发明的特定实施例，作为可以采用本发明的原理的一些方式的指示，但是应该理解的是，本发明在范围上不受相应限制。相反，本发明包括落入所附权利要求的精神和条件内的所有改变、修改和等同物。关于一个实施例描述和或示出的特征可以在一个或多个其他实施例中以相同的方式或以类似的方式使用和或与其他实施例的特征组合使用或代替其他实施例的特征使用。附图说明[0030]图1是在横截面中描绘了常规EWOD器件的图。[0031]图2是描绘了根据本发明的实施例的基于示例性EWOD的微流控系统的图。[0032]图3是在示意透视图中描绘了根据本发明的实施例的示例性AM-EWOD器件的图。[0033]图4是描绘了通过图3的示例性AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面的图。[0034]图5A是描绘了当存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。[0035]图5B是描绘了当不存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。[0036]图6是描绘了根据本发明的实施例的图3的示例性AM-EWOD器件中的薄膜电子器件的示例布置的图。[0037]图7是描述了根据本发明的实施例的阵列元件电路的示例性布置的图。[0038]图8是描绘了根据本发明的实施例的包括热控制元件的示例性微流控系统的图。[0039]图9是描绘了图8的微流控系统的图，其示出了EWOD通道内的液滴的示例位置。[0040]图10A、图10B、图10C、图IOD和图IOE是描绘了图8的微流控系统的图，其示出了热控制元件的定位的各种备选构造。[0041]图11是描绘了第一和第二热区的示例性温度时间分布以及在液滴通过两个热区之间的电润湿而移动时的液滴的结果温度时间分布的图解图。[0042]图12、图13、图14、图15和图16是描绘了不同方案的图解图，其包括第一和第二热区的温度时间分布以及在液滴通过两个热区之间的电润湿而移动时的结果温度时间分布，其中两个热区的温度随时间可变。[0043]图17、图18、图19和图20是描绘了不同方案的图解图，其包括第一和第二热区的温度时间分布以及当液滴通过两个热区之间的电润湿而移动时的结果温度时间分布，其中两个热区为一个随时间变化温度的热区以及一个常温热区。[0044]图21是描绘了根据本发明的实施例的触降式PCR反应方案的图解图。[0045]图22是描绘了用于图21的触降式PCR反应方案的相应循环数量的热区温度的图解图。具体实施方式[0046]现在将参考附图描述本发明的实施例，其中，相似的附图标记用于始终表示相似的元件。应该注意的是，附图不一定是按比例的。[0047]图2是描绘了根据本发明的实施例的基于示例性EWOD的微流控系统的图。在图2的示例中，测量系统包括读取器32和盒34。如常规的，盒34可以包含微流控器件诸如，EWOD或AM-EWOD器件36以及未示出）到所述器件的流体输入端口和电连接。流体输入端口可以执行将流体输入到AM-EWOD器件36中并在器件内生成液滴的功能，例如，通过从由电润湿控制的输入贮液器进行分配。如下文进一步描述地，微流控器件包括配置成接收输入流体液滴的电极阵列。[0048]微流控系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制施加到微流控器件的电极阵列的致动电压以执行对流体液滴的操纵操作。例如，读取器32可以包含这样的控制系统，其被配置为控制电子器件38;以及存储器件40，其可以存储任何应用软件和与该系统相关联的任何数据。控制电子器件38可以包括被配置为执行与AM-EWOD器件36的控制有关的各种控制操作的合适电路和或处理设备，诸如，CPU、微控制器或微处理器。[0049]在它们的功能中，为了实现本发明的特征，控制电子器件可以包括整体控制系统的一部分，其可以执行在存储器件40内实现为控制应用的程序代码。对于计算机编程领域的普通技术人员，特别是对于电子控制器件的应用编程领域的普通技术人员，显而易见的是如何对控制系统进行编程以操作和执行与存储的控制应用相关联的逻辑功能。因此，为了简明起见，省略了关于具体编程代码的细节。存储器件40可以被配置为诸如随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可擦除可编程只读存储器EPROM或闪存或任何其他适合介质的非暂时性计算机可读介质。此外，虽然根据示例性实施例该代码可以由控制电子器件38执行，但是这样的控制系统功能也可以经由专用硬件、固件、软件或其组合来执行，而不偏离本发明的范围。[0050]控制系统可以被配置为执行以下功能中的一些或全部：[0051]定义适当的定时信号以操纵AM-EWOD器件36上的液滴。[0052]解译对由与AM-EWOD器件36相关联的传感器或传感器电路测量的传感器信息加以表示的输入数据，其包括计算AM-EWOD器件36上液滴的位置、尺寸、质心和周长。[0053]使用所计算的传感器数据来定义适当的定时信号以操纵AM-EWOD器件36上的液滴，即，以反馈模式进行动作。[0054]提供图形用户界面GUI的实现，由此用户可以对诸如液滴操作（例如，移动液滴）、测定操作（例如，执行测定）的命令进行编程，且GUI可以将这些操作的结果报告给用户。[0055]根据本发明的实施例，并且如下面进一步描述地，控制系统可以包括热控制单元，该热控制单元被配置为将在EWOD通道内的EWOD器件的温度控制为适合于给定反应方案。[0056]在图2的示例中，可以提供外部传感器模块35以感测液滴性质。例如，本领域已知的光学传感器可以用作用于感测液滴性质的外部传感器。合适的光学传感器包括相机器件、光传感器、电荷耦合器件CCD和类似的图像传感器等。备选地，传感器可以被配置为内部传感器电路，其作为驱动电路的一部分被并入每个阵列元件中。这种传感器电路可以通过检测阵列元件处的电学性质例如，阻抗或电容来感测液滴性质。[0057]诸如经由控制电子器件38的控制系统可以提供和控制施加到微流控器件36的电极阵列的致动电压，诸如，所需的电压和定时信号，以执行液滴操控操作并感测AM-EWOD器件36上的液滴。控制电子器件还可以执行应用软件以生成并输出用于液滴感测和执行感测操作的控制电压。读取器32和盒34可以在使用时例如通过连接线42的电缆电连接在一起，但是可以使用本领域普通技术人员已知的提供电通信的各种其他方法例如，无线连接）。[0058]图3是在示意透视图中描绘了根据本发明的实施例的示例性AM-EWOD器件36的附加细节的图。AM-EWOD器件36具有下基板44，薄膜电子器件46设置在下基板44上。薄膜电子器件46布置成驱动阵列元件电极48。多个阵列元件电极48布置在电极或元件阵列50中，其具有X乘Y个阵列元件，其中X和Y可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液滴52被封装在下基板44和顶基板54之间（其中下基板44和顶基板54被间隔物56分隔），但是应当理解，可以存在多个液滴52。[0059]图4是描绘了通过图3的示例性AM-EWOD器件36的一些阵列元件的横截面的图。在图4所描绘的AM-EWOD器件的所述部分中，该器件包括一对在横截面中示出的阵列元件电极48A和48B，其可以用于图3的AM-EWOD器件36的电极或元件阵列50。器件配置类似于图1所示的常规配置，其中AM-EWOD器件36还包括设置在下基板44上的薄膜电子器件46,下基板44与上基板54被间隔物56分离。下基板44的最上层可以被认为是薄膜电子器件层46的一部分）被图案化，从而实现多个阵列元件电极48例如，阵列元件电极的具体示例在图4中为48A和48B。术语元件电极48可以在以下内容中被理解为指代与特定阵列元件相关联的物理电极结构48，以及也指代直接连接到该物理结构的电路的节点。图4中示出了参考电极58，其设置在顶基板54上，但参考电极备选地可以设置在下基板44上以实现平面内参考电极的几何形状。术语参考电极58也可以在以下内容中被理解为指代物理电极结构以及直接连接到该物理结构的电路的节点中的任意一个或二者。[0060]此外，类似于图1的常规结构，在AM-EW㈤器件36中，非极性流体60例如油可用于占据未被液滴52占据的容积。绝缘体层62可以设置在下基板44上，下基板44将导电元件电极48A和48B与第一疏水涂层64分离，液滴52以Θ表示的接触角66位于第一疏水涂层64上。疏水涂层由疏水材料通常但不一定是含氟聚合物形成。在顶基板54上是第二疏水涂层68，液滴52可以与第二疏水涂层68接触。参考电极58介于顶基板54和第二疏水涂层68之间。[0061]图5A示出了在存在液滴52的情况下元件电极48和参考电极58之间的电负载70A的电路表示。液滴52通常可以被建模为并联的电阻器和电容器。通常，液滴的电阻将相对较低例如，如果液滴含有离子并且液滴的电容将相对较高例如，因为极性液体的相对介电常数相对较高，例如，如果液滴是水性的，则为〜80。在许多情况下，液滴电阻相对较小，所以在用于电润湿的感兴趣频率下，液滴52可以有效地起电短路作用。疏水涂层64和68具有可以被建模为电容器的电特性，并且绝缘体62也可以被建模为电容器。元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以由如下电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体62的贡献和疏水涂层64和68的贡献来支配，并且对于典型的层厚度和材料，该电容器在值方面可以是皮法量级的。[0062]图5B示出了在不存在液滴的情况下元件电极48与参考电极58之间的电负载70B的电路表示。在这种情况下，液滴组件由对占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体60的电容加以表示的电容器代替。在这种情况下，元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以由如下电容器近似，该电容器的值由非极性流体的电容支配，并且通常是小的，毫微微法拉的量级[0063]为了驱动和感测阵列元件的目的，电负载70A70B总体上在效果方面起电容器的作用，其值取决于在给定元件电极48处是否存在液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对较高通常为皮法量级），而如果不存在液滴，则电容是低的通常为毫微微法拉的量级）。如果液滴部分地覆盖给定电极48，则电容可以近似表示液滴52对元件电极48的覆盖程度。[0064]图6是描绘了根据本发明的实施例的图3的示例性AM-EWOD器件36中的薄膜电子器件46的示例性布置的图。薄膜电子器件46位于下基板44上。元件阵列50的每个阵列元件51包含用于控制相应元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。集成的行驱动器74和列驱动器76电路也实现在薄膜电子器件46中，以向阵列元件电路72提供控制信号。阵列元件电路72还可以包含用于检测阵列元件的位置中是存在液滴还是不存在液滴的感测能力。集成传感器行寻址电路78和列检测电路80还可以实现在薄膜电子器件中，用于寻址和读出每个阵列元件中的传感器电路。[0065]还可以提供串行接口82来处理串行输入数据流并且便于将所需电压编程到阵列50中的元件电极48。电压源接口84提供相应的电源电压、顶基板驱动电压以及其它必要的电压输入，如本文进一步描述的。即使对于大的阵列尺寸，下基板44和外部控制电子器件、电源以及任何其他组件之间的连接线86的数量也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以是部分并行化的。例如，如果使用两条数据输入线，则在对列驱动器电路76进行最小修改的情况下第一条可以为列1至X2提供数据，而第二条可以为列（1+X2至M提供数据。以这种方式，增加了能够将数据编程到阵列的速率，将数据编程到阵列是液晶显示驱动电路中使用的标准技术。[0066]通常，包括薄膜电子器件46的示例性AM-EW㈤器件36可以被配置如下。AM-EW㈤器件36包括如上所述的参考电极58其可选地可以是平面内参考电极和在元件阵列50上的多个单独阵列元件51，每个阵列元件51包括阵列元件电极48和阵列元件电路72。相关地，AM-EWOD器件36可以被配置为执行致动阵列元件以通过控制施加到多个阵列元件的电润湿电压来操纵阵列上的液滴的方法。所施加的电压可以通过对如图2所述的控制系统的操作来提供，所述控制系统包括控制电子器件38以及存储在存储器件40上的应用和数据。每个阵列元件51处的电润湿电压由阵列元件电极48和参考电极58之间的电位差限定。控制给定阵列元件处的电润湿电压的方法通常包括通过控制系统的操作向阵列元件电极48供应电压并向参考电极58供应电压的步骤。[0067]图7是描述了根据本发明的实施例的在每个阵列元件51中存在的阵列元件电路72的示例性布置的图。阵列元件电路72可以包含具有输入ENABLE使能）、DATA数据）和ACTUATE致动）以及连接到元件电极48的输出的致动电路88。阵列元件电路72还可以包含液滴感测电路90，其可以与元件电极48进行电通信。通常，液滴感测电路90的读出可以由一个或多个寻址线例如，RW控制，这些寻址线可以对阵列中同一行的元件是公共的，并且还可以具有一个或多个输出，例如，0UT，其可以对阵列中同一列的所有元件是公共的。[0068]阵列元件电路72通常可以执行以下功能：[0069]i通过向阵列元件电极提供电压来选择性地致动元件电极48。因此，存在于阵列元件51处的任何液滴可以通过电润湿效应被致动或解除致动。[0070]ii感测在阵列元件51的位置处是存在液滴还是不存在液滴。感测手段可以是电容式、光学式、热式或一些其他手段。可以使用阻抗传感器电路作为阵列元件电路的一部分来方便且高效地采用电容性感测。[0071]包括阻抗传感器电路的阵列元件电路72的示例性配置在本领域中是已知的，并且例如在背景技术部分中引用的US8653832和共同转让的英国申请GB1500261.1中详细描述，两者通过引用并入本文。这些专利文件包括关于可以如何致动液滴通过电润湿）以及可以如何通过电容或阻抗感测手段感测液滴的描述。通常，电容和阻抗感测可以是模拟的并且可以在阵列中的每个元件处同时或几乎同时执行。通过处理来自这种传感器的返回信息例如，在读取器32的存储器件40中的应用软件中），上述控制系统可以实时或几乎实时地确定存在于元件阵列50中的每个液滴的位置、大小、质心以及周长。如结合图2所提及的，传感器电路的备选方案在于提供外部传感器例如传感器35，例如，可以用于感测液滴性质的光学传感器。[0072]本发明提供对EWOD器件中的温度的增强控制，以便优化发生液滴操纵和反应的EWOD通道中的温度。本发明组合了空间和时间温度控制，以提供空间和时间中的协同效率，这是常规配置没有达到的。EWOD器件控制系统和相关控制方法最小化了所需热区的数量并且使这些热区占据的面积最小化。另外，一个或多个不同的热区的温度可以随时间变化。通过组合对EW㈤器件中的温度的空间和时间控制，生成EWOD器件的液滴通道中的温度分布，其被优化用于在许多循环上执行给定的生化化学反应或反应序列。以这种方式，高效地执行反应方案，其中优化热区的数量和尺寸。[0073]因此，通常，本发明的一个方面是被配置用于通过组合空间和时间温度控制来进行增强温度控制的微流控系统。在示例性实施例中，微流控系统包括介质上电润湿EWOD器件，其包括被配置为接收一个或多个液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件;控制系统，被配置为控制施加到元件阵列的致动电压以执行关于液滴的操纵操作；以及多个热控制元件，位于沿EWOD器件的不同空间位置处，至少一个热控制元件的温度可随时间变化。所述控制系统包括热控制单元，所述热控制单元被配置为控制所述多个热控制元件的温度以生成位于沿着所述EWOD器件的不同空间位置处的多个热区，其中至少一个热区的温度可随时间变化。[0074]图8是描绘了根据本发明的实施例的示例性微流控系统100的图，其包括控制系统102和限定EWOD通道106的EWOD器件104其尤其可以是AM-EWOD器件）。图9是描绘了图8的微流控系统100的图，其示出了EWOD通道106内的液滴108的示例性位置。[0075]通常，微流控系统包括控制器系统和EWOD或AM-EW0D器件。控制器系统包括热控制单元，该热控制单元被配置为在EWOD器件的通道内生成至少两个热区，其中动态控制至少一个热区的温度（即时间变化的）iWOD控制单元操作以将致动电压施加到EWOD器件的阵列元件以在两个热区之间移动液滴。热区是由热控制元件创建并由热区控制单元控制的。[0076]在示例性实施例中，以下特征中的一个或多个可以被并入微流控系统中。热控制元件可以均被配置为加热、冷却或加热和冷却EWOD器件中的相关联的热区。热控制元件可以与EWOD器件的顶部或底部外表面相同或相反的面热连通。在一个或多个热控制元件被配置为施加热量例如，通过电阻焦耳加热）的情况下，热区控制元件可以集成在EWOD器件中。例如，在申请人2011年4月22日提交的美国申请No.13092,194中描述了集成热控制元件的示例，该申请通过引用并入本文。现有技术中已知的温度感测元件可以被结合在系统结构中的一个或多个位置处。这样的温度感测元件可以是热控制元件的组件，并且可以包括以下项中的一个或更多个:附接到EWOD器件的外表面的外部温度传感器例如，热敏电阻器）；集成到EWOD器件中的温度传感器（如申请人2010年5月15日提交的美国申请No.12772,245中所述，该申请通过引用并入本文），其可以例如被并入到AM-EWOD器件的阵列元件中；或基于proportional-integral_derivativePIDcontrolmethods，orincorporatedintothethermalzonecontrolunit的热控制系统。微流控系统可以被布置成实施任何需要将液滴加热和或冷却到至少两个温度作为液滴操纵方案的一部分的液滴操纵方案。[0077]参考图8-9,非极性流体110例如油）可用于占据未被液滴108占据的容积。EWOD器件可以包括由限定EWOD通道106的间隔物116分开的第一顶基板组件112和第二底基板组件114。为了简化相关特征的说明，省略了EWOD器件组件的各个层。因此，第一基板组件和第二基板组件可以包括形成EWOD器件的关联基板、绝缘层、电极层和相关结构，例如，结合图3-7描述的各种组件。图8和图9还示出了用于将流体输入到EWOD通道中的代表性流体输入结构118。输入结构的各种配置在本领域中是已知的，因此可以采用任何合适的输入结构。[0078]如上所述，微流控系统100还包括控制系统102。控制系统102可以与结合图2所描述的控制系统同等地进行配置，包括可以执行程序代码的控制电子器件，该程序代码被实现为结合在非暂时性计算机可读介质或存储器件内的控制应用。控制系统102可以包括ETOD控制单元122,其具有控制电子器件和CPU处理器件，以用于通过控制施加到EW㈤器件的阵列元件的致动电压来控制EWOD器件上的液滴的移动。控制系统102还包括热区控制单元124和多个热控制元件。在所描绘的示例中，两个热控制元件126和128被示出为被定位在沿着EWOD器件的不同空间位置处。应该认识到的是可以在可以适用于特定微流体操作的给定器件中采用任何合适数量的多个热控制元件。类似于EWOD控制单元122,热区控制单元124包含控制电子器件和CPU或处理器件，以用于控制热控制元件的温度以在EWOD器件内生成不同温度控制区。热区控制单元的控制电子器件同样可以类似地执行程序代码，该程序代码体现为被并入在热区控制单元内的非暂时性计算机可读介质或存储器件内的热控制应用。[0079]根据需要并且如由热区控制单元124根据任何期望的反应方案确定，热控制元件126和128可以能够主动地对EWOD器件进行加热、冷却或加热和冷却。加热和或冷却可以通过任何公知的机制来实现。例如，可以通过焦耳加热或电阻加热来进行加热，并且可以通过本领域中已知用于加热和冷却的珀尔帖效应进行冷却。EWOD器件内的EWOD通道106中的由所述热控制元件之一控制温度的区域在本文中被称为热区。在图8和图9中，例如，第一热控制元件126可操作以控制EWOD通道内的第一热区127的温度，且第二热控制元件128可操作以控制EWOD通道内的第二热区129的温度。因此，基于热控制元件的对应位置，第一热区127和第二热区129位于沿着EWOD器件的不同空间位置处。此外，可以采用任何合适数量的多个热控制元件，其将控制在位于沿着EWOD器件的不同空间位置处的对应数量的热区中的温度。[0080]液滴呈现该液滴所在的任何热区的温度。由于液滴的微小尺寸，在液滴和热区之间发生快速温度均衡。在图9的示例中，液滴108位于第一热区127中，并且因此将呈现由第一热控制元件126控制的第一热区127的温度。通过施加适当的致动电压，液滴108可以移动到第二热区129,并且因此将呈现由第二热控制元件128控制的第二热区129的温度。[0081]EWOD控制单元122将致动电压施加到EWOD器件的阵列元件，以将液滴从一个热区移动到另一热区。热区控制单元124和EWOD控制单元122被组织在一起工作以配置动态控制的热区，其可以根据液滴在EWOD器件的通道内的位置来改变通道中的温度。可以用液滴位置传感器例如，使用图3的外部传感器35或基于感测液滴阻抗的图7的液滴感测电路90读出液滴在EWOD通道中的位置，其中液滴位置传感器可以被集成在EWOD液滴操纵器件中。通过组合对EWOD器件的通道内的温度的空间控制和时间控制，使执行给定生化化学反应或反应序列所需的温度分布得到优化，并且转而使热区的数量和尺寸得到优化。包含液滴位置传感器进一步增强了系统，这是因为可以使用液滴位置的反馈控制来确定实现热区温度变化的时间。[0082]热控制元件126和128可以被布置成与EWOD器件的基板层之一热接触，诸如，被布置在EWOD器件的基板层的外表面上或内部作为EWOD器件的基板层的一部分。在图8和图9所示的实例中，热控制元件都位于第二底基板114的外表面上。[0083]图10A-10E展示了热控制元件126和128的定位的备选布置。两个或更多个热控制元件可以以与EWOD器件的相同表面或相对表面相接触，或者位于基板组件的内部或作为基板组件中的一个或两个的一部分，以更靠近EWOD通道106。作为备选定位的示例，在图IOA的实施例中，两个热控制元件都位于第一顶基板112上。在图IOB的实施例中，第一热控制元件126位于第二底基板114上，且第二热控制元件128位于第一顶基板112上。在图IOC的实施例中，两个热控制元件都位于第一顶基板112内。在图IOD的实施例中，第一热控制元件126位于第二底基板114内，且第二热控制元件128位于第一顶基板112内。在图IOE的实施例中，两个热控制元件都位于第二底基板114内。因此，可以采用将热控制元件相对于EWOD通道定位的任何适当构造。[0084]以此方式，将加热和或冷却施加到EWOD器件的基板112和或114的一个或多个表面。这样转而控制形成EWOD通道106的EWOD器件的两个基板之间的横向平面中的温度，以生成不同的热区，例如，图8和图9中的示例性热区127和129』W0D通道限定EWOD器件中约束液滴的区域，并且实际上，如上所述，在EWOD通道内控制的温度确定位于所述通道内的液滴的温度。[0085]通常，根据本发明的实施例，热控制单元被配置为控制热控制元件以在EWOD器件的通道内生成多个热区，即，至少生成第一热区和第二热区，其中至少一个热区的温度同样是相对于时间可变的。因此，EWOD器件的通道中的温度在空间上和时间上是变化的且受控制的。在化学生化反应或反应序列的过程期间，反应混合物的液滴通过热区之间的电润湿移动或保持在给定的热区中。因此，给定液滴的温度是其在通道中的位置和自方案开始以来流逝的时间二者的函数。通过组合空间的和时间的温度控制，消除了常规配置的缺点，并且与常规配置相比，液滴操纵和反应的能力在EWOD器件的明显更小的区域上得到最大化。[0086]图11-21是描绘了用于控制EWOD器件的EWOD通道内的温度的各种方案的图解图。通常，根据本发明的实施例，微流控系统包括多个热控制元件，位于相对于EWOD通道的不同空间位置处，其中至少一个热控制元件是可控的以在时间上（随时间）改变温度。多个热控制元件的控制导致在EWOD通道内生成多个对应的热区，其中至少一个热区具有根据在时间上可变的热控制元件的变化而随时间变化的温度。附图的示例基于微流控系统，其中多个热控制元件包括第一热控制元件和第二热控制元件，其中至少一个热控制元件具有随时间变化的温度。应该理解的是，使用两个热控制元件是非限制性示例，且可以使用适用于任何特定器件或应用的任何合适数量的热控制元件。此外，只要至少一个热控制元件的温度随时间变化，随时间变化的热控制元件的精确数量也可以设置成适合于任何特定的器件或应用。换句话说，一个或多个一直到全部的热控制元件的温度可以是可随时间变化的。[0087]因此，本发明的另一方面是一种用于通过使用介质上电润湿EWOD器件来执行反应方案的控制方法，所述控制方法组合在所述EWOD器件内的空间温度控制和时间温度控制。在一个示例性实施例中，所述控制方法包括以下步骤:在由EWOD器件限定的EWOD通道内接收液滴;在所述EWOD通道内的第一空间位置处生成第一热区，所述第一热区被控制为具有第一温度;在所述EWOD通道内的第二空间位置处生成第二热区，其中所述第二空间位置不同于所述第一空间位置，所述第二热区被控制为具有随时间可变的第二温度；随时间改变所述第二热区的温度；以及将致动电压施加到EWOD器件的元件阵列，以在第一热区和第二热区之间移动液滴，其中液滴的温度呈现第一热区或第二热区中液滴所在的那个热区的温度。第一热区的温度可以在反应方案期间保持恒定，或也可以在反应方案期间随时间变化。可以控制第一热区和第二热区的温度以控制液滴的温度在反应方案内的多个热循环上周期性地改变。[0088]以下提供关于图11-12中的图形的各种部分和线形格式的含义的解释。在所有这些图中，将图11标记为示例，顶部两个图形部分相对于第一热区200T区1或热区1和第二热区202T区2或热区2将温度描绘为时间的函数，S卩，温度分布。第一热区和第二热区的温度分布对应于EWOD通道内的空间热区，其将对应于如上所述的热控制元件的各个位置诸如，例如热区127和129。该图形的第三部分对应于液滴204的结果温度分布T液滴），其作为时间以及液滴的空间位置的函数（即，液滴是在热区1还是在热区2中）JUT2和T3是不同温度的一般化指示，其可以是用于给定应用或反应方案的任何合适的温度。[0089]在图11-21的顶部图形部分中，表示第一热区200和第二热区202的温度分布，图形的实线部分表示液滴位于该热区内，而虚线表示液滴不在该热区内。类似地，在表示液滴204的温度分布的底部图形部分中，图形的实线部分表示液滴位于特定的热区内，而虚线表示液滴在热区之间移动。换句话说，如下面进一步解释的那样，图形示出了如何随着液滴在两个热区之间在空间上移动以及随着时间发生温度变化，其中基于热控制元件的控制在热区内改变温度。[0090]图11示出了第一和第二热区的示例性温度时间分布以及液滴在两个热区之间通过电润湿而移动时的结果温度时间分布。在该特定示例中，热区1的温度随时间保持恒定在Tl。液滴被示出为最初位于热区1内，因此液滴开始处于热区1中的温度Tl。在这段时间期间，热区2的温度从T3变为T2。如图形的第三部分的虚线所示，然后通过适合的致动电压将液滴从热区1移动到热区2。因此，液滴冷却到T2。然后将热区2的温度升高到T3，同时液滴保持位于热区2中。液滴的温度相当地升高至T3。图11示出了如何组合对温度的空间控制和温度控制以针对EWOD通道中的液滴获得三个反应温度，但是仅使用两个热区。液滴开始于热区1内的温度Tl，然后，液滴移动到热区2以经历温度T2空间温度控制），并且液滴保持在热区2中，与此同时温度升高至温度Τ3时间温度控制）。一些或全部的液滴温度分布可以循环过多次。[0091]图11提供了空间温度控制在两个热区之间变化的方式以及温度如何附加地随时间变化在该示例中，在热区2内）的基本示例。通过组合经由热区的液滴温度控制以及通过电润湿在热区之间移动液滴的方法，可以实现复杂的液滴温度分布，其中使热控制所需的器件面积最小化。以下附图说明仍然只采用两个热区的更复杂的方案，这是因为它们可能与针对任何合适的反应方案的生化化学反应或反应序列的不同部分或循环相绑定。将意识到各种操作方案代表非限制性示例。[0092]图12-16是描绘了不同方案的图，包括针对第一和第二热区的温度时间分布以及当液滴由于两个热区之间的电润湿而移动时的液滴的结果温度时间分布，其中两个热区的温度随时间可变。[0093]首先参考图12,液滴开始处于热区1中的温度Tl，并且在该时间段期间，热区2的温度被均衡至温度T2。为了将液滴温度改变为温度2，通过电润湿将液滴快速移动到热区2。液滴接近新温度的速率由液滴能够通过电润湿致动电压在区域之间移动的速度来控制。液滴保持在热区2中，而热区2的温度升高到温度Tl。在此期间，液滴温度分布遵循热区2的温度分布。所描绘的分布是示例性的图示，且可以将任何温度时间函数施加在液滴上。这样的分布可以表示第一反应循环反应循环1，其可以是复杂反应序列的一部分。[0094]然后将液滴在温度Tl处在热区2中维持恒温，以开始示例第二液滴反应循环反应循环2。当液滴处于热区2中时，热区1的温度下降至T2。第二反应循环还可以包括通过电润湿将液滴移动到热区1，然后液滴遵循在热区1中施加的温度分布，参见曲线图的最后部分。这样结束了第二液滴温度循环。在该示例中，液滴温度以热区1和2的两倍频率循环。因此，液滴温度在热区1和2中循环两次，在热区1和2或2和1之间的快速液滴移动引起温度T1和T2之间的急剧温度转变。再次，当液滴位于可变温度区时，任何温度时间函数都可以施加在液滴上。通过在两个温度区之间移动液滴并随时间改变温度，实现液滴温度的高效循环以执行复杂的反应序列。在该图中示出了四个完整的循环，但是可以采用任何合适数量的循环。[0095]图13示出了使用两个时变温度区来循环液滴温度的另一示例。再次示出了四个循环反应循环1、反应循环2、反应循环3和反应循环4，但与上图相比具有不同的温度时间分布。再次，可以采用任何合适数量的循环。液滴开始处于热区1中的温度Tl，并且在该时间段期间，热区2的温度被均衡至温度T2。为了将液滴温度改变为温度T2,通过电润湿将液滴移动到热区2。在热区2中，首先基于热区2中的温度的受控变化以步进的方式将液滴温度增加到温度T3,然后遵循所需的液滴温度时间函数将液滴温度返回到温度T1。当液滴处于热区2中时，热区1被重新均衡至温度T2。为了完成第二液滴温度循环，液滴返回到现在处于温度T2的热区1，并且液滴停留在热区2中同时温度以步进的方式升高到温度T3并回到温度T1。在这个示例中，液滴温度以热区温度的两倍频率循环，重复序列Tl到T2到T3。因此，液滴温度在热区1和2中循环两次，在热区1和2之间的快速液滴移动引起温度Tl和T2之间的急剧温度转变。[0096]图14示出了使用两个时变温度区来控制液滴温度的另一示例，其是上图13的变型。在该示例中，在开始热循环循环从反应循环1开始之前，液滴经历一系列温度改变，然后与如图13所述相当地进行热循环。该液滴温度分布对于例如逆转录PCR是有用的。备选地，在完成大量一个关闭温度之前，液滴温度分布可以包括初始温度循环。[0097]图15示出了使用两个时变温度区来循环液滴温度的另一示例。再次示出了四个反应循环反应循环1、反应循环2、反应循环3和反应循环4，但与上图相比具有不同的温度时间分布。再次，可以采用任何合适数量的循环。液滴开始处于热区1中的温度T1，并且在该时间段期间，热区2的温度被均衡至反应序列的温度T2。为了改变为温度T2,通过电润湿将液滴移动到热区2。当液滴处于在温度T2的热区2中时，热区1被重新均衡至温度T3。然后将液滴移至温度T3的热区1以结束第一反应循环。对于第二液滴温度循环，液滴返回到现在处于反应序列的温度Tl的热区2,然后移动到热区1以达到温度T2,最后到热区2以达到温度T3。液滴温度以热区温度的两倍频率循环，重复序列Tl到T2到T3。液滴温度分布与上图相似，但是两个热区和液滴位置的时间变化是不同的，尽管实现了相当的液滴温度时间分布和热循环。[0098]图16示出了使用两个时变温度区来循环液滴温度的另一示例。液滴开始处于热区1中的温度Tl，并经由热区1和2之间的液滴移动来实现随后到温度T2和温度T3的快速转变。最后，通过在液滴占据热区时改变热区2的温度来将液滴的温度修改回温度Tl。在该示例中，热区2的温度在液滴占据给定热区之前和在此期间发生变化。[0099]图17-20是描绘了不同方案的图解图，包括针对第一和第二热区的温度时间分布以及当液滴由于两个热区之间的电润湿而移动时液滴的结果温度时间分布，其中两个热区为一个随时间变化温度的热区以及一个恒定温度热区。[0100]除了进一步说明这种方案可以并入作为液滴热循环方案的一部分之外，图17基本上与图11相当。示出了两个循环反应循环1和反应循环2。此外，可以采用任何合适数量的循环。热区1的温度随时间保持恒定在Tl处。液滴被示出为最初位于热区1内，因此液滴处于热区1中的温度Tl。在这段时间期间，热区2的温度从T3变为T2。然后将液滴从热区1移动到热区2,并且液滴冷却至T2。然后将热区2的温度升高到T3,且液滴的温度相应升高到T3。图17示出了温度T2和T3之间的步进式改变。相反，如图18所示，也可以执行从温度T2到T3的更渐进的改变。然后通过将液滴移动回热区1来快速返回到温度Tl。在这些示例中，液滴温度以与热区2相同的频率循环，与此同时热区1中的温度保持恒定。[0101]图19示出了使用一个时变温度区和一个恒定温度区来循环液滴温度的另一示例。液滴开始处于热区1内的温度T1。为了改变到温度T2,通过电润湿将液滴迅速移动到热区2，并且当液滴位于热区2中时，将热区1的温度重新均衡到温度T3。将液滴快速移动到热区1使液滴达到温度T3。当液滴在热区1中时，热区1因此，液滴）的温度从温度T3回升到温度Tl，遵循讨论中的反应所需的温度时间函数。然后可以根据反应方案所要求的将所述循环重复那么多次（图中说明性地示出了一个附加循环）。液滴温度以与热区1的温度相同的频率循环，与此同时热区2中的温度保持恒定。[0102]图20示出了使用一个时变温度区和一个恒定温度区来循环液滴温度的另一示例。液滴开始处于热区1中的温度T1。当液滴处于热区1时，热区1的温度从温度Tl降低至温度T2,遵循适合于所述反应的温度时间分布，且液滴温度遵循这种分布。在热区2的温度在T3处恒定的范围内，将液滴快速移动到热区2使液滴达到温度T3。当液滴处于热区2中时，热区1的温度重新均衡至温度Tl。通过经由电润湿将液滴移动到热区1，使液滴温度被快速修改成温度T1。如上所述，然后可以根据反应方案所要求的将所述循环重复那么多次（图中说明性地示出了一个附加循环）。液滴温度以与热区1的温度相同的频率循环，与此同时热区2中的温度保持恒定。[0103]本发明特别适用于复杂反应方案中的温度控制，所述复杂反应方案具有可能需要在不同温度下执行的多个反应序列。这种反应方案的一个示例是经由PCR聚合酶链式反应的核酸扩增。以下描述了用于PCR热循环的示例性方法，其中通过电润湿来在两个可变温度热区之间移动液滴以高效地获得用于最优PCR所需的三个温度，与此同时最小化为热控制保留的器件面积。上图15特别示出了利用三个温度的反应循环，这适合于PCR。在图21中更详细地示出了应用于PCR方案的这种循环的变型。[0104]首先返回参考图15,其将用于PCR的合适的热循环示出为PCR反应方案的特定示例，液滴开始处于热区1中的温度Tl，该温度对于PCR可以被控制为具有热区1的大约95°C处的对应于dsDNA变性步骤的第一温度。因此，将液滴移动至热区1并且在热区1中执行使核酸变性。当液滴位于热区1中时，热区2的温度被均衡至反应序列的温度T2,该温度对于PCR可以被控制为具有大约60°C处的对应于对ssDNA的引物进行退火的步骤的第二温度。为了将液滴温度改变为温度T2，通过电润湿将液滴快速移动到热区2，并且在热区2中执行将核酸的引物进行退火。当液滴处于温度T2处的热区2中时，热区1被重新均衡至温度T3,该温度对于PCR可以被控制为大约72°C的延伸温度处的对应于进行DNA延伸和聚合的步骤的第三温度。然后，将液滴移动到温度T3的热区1，并在热区1中执行对核酸的聚合。这完成了PCR反应方案的第一循环反应循环1，并且当液滴位于热区1内时，热区2被重新均衡回到T1。为了接下来执行第二液滴温度循环，液滴返回到现在处于反应序列的温度Tl的热区2,然后移动到热区1以达到温度T2,最后到热区2以达到温度T3等。在图15中示出反应循环1、2、3和4以用于说明，尽管典型的PCR可能涉及大约40个循环或可能适合于给定PCR方案的更多个循环。[0105]因此，可以通过重复上述PCR循环直到核酸扩增方案完全完成为止，额外地执行多个PCR循环。液滴温度以热区温度的两倍频率循环，且接近每个新液滴温度的速率由经由电润湿的液滴移动速度来确定。器件的保留用于热管理的区域限于两个热区，因此，将液滴移动与改变热区的温度相结合的方法允许仅需要这样的两个空间区域来获得用于高效PCR的三个温度。[0106]图21更具体地是描绘了本领域称为下触式PCR的图15的PCR反应方案的变型的图解图。在下触式PCR中，修改上述PCR方案，使得对于约前14个PCR循环，引物退火温度T2从高于DNA引物熔融温度约10°C的初始值自每个循环变化1°C至2°C。这些不同的T2温度在图21中表示为T2a、T2b等，直到到达循环15,引物退火温度为T2例如，如上所指出的约60°C。对于随后的循环，例如图21中的循环15和16,引物退火温度保持在T2,S卩，退火温度不被进一步修改。这在图22中示出，其示出了温度T2如何在前14个循环中变化，然后在方案的其余部分例如，多达例如40个循环或更多）中保持恒定温度。因此，即使在许多循环上调整引物退火温度，保留用于热管理的器件的区域仍然限于两个空间热区，这允许在最小化器件面积上增强下触式PCR。[0107]返回参考图8-10E的结构，可以将任何数量的反应方案编程到控制系统102中。具体而言，可以将编程的反应方案提供给EWOD控制单元122并将其存储在EWOD控制单元的存储器中，或将其作为程序代码从某个外部源发送给EWOD控制单元122以供执行。根据这样的程序化的反应方案，EWOD控制单元122可以将控制信号发送到热区控制单元124，热区控制单元124接着生成温度控制信号以控制热控制元件126和128的温度，以在EWOD通道106内生成热区127和129。备选地，EWOD控制单元122还可以生成电压控制信号以施加用于根据反应方案在热区之间移动液滴的并用于执行任何附加关联液滴操纵操作的致动电压。以这种方式，可以将各种反应方案预先编程到EWOD器件控制系统中，然后在执行期望的方案时根据需要执行所述各种反应方案。[0108]与常规配置相比，通过在一个或多个这样的区域中使用不同空间位置中的多个温度热区与时间温度控制相结合，实现了许多优点。通常，液滴可以通过横向移动通过EWOD器件的EWOD通道而在不同温度之间快速转变。另外，一个或多个区域的时间控制允许在方案期间的不同点向不同的温度值重新分配不同的空间区域。这意味着相同的区域可以用于在方案中的不同时间处不同的反应步骤，其中所述不同的反应步骤通过在调整可变区域时在其他空间区域处执行的反应步骤分开。[0109]因此，结合空间温度控制和时间温度控制的协同效应消除了在仅具有固定温度区的常规配置中常见的器件区域的低效使用。一旦液滴在区域内的给定温度下完成反应步骤并且后续步骤不再需要该温度，则可以将该区域中的温度重新分配至不同的值。与该区域相关联的物理区域因此可以被重新用于在不同温度和不同时间的备选液滴操作。相关地，由于不再需要等待温度调整来执行随后的反应步骤，因此消除了常规时间变化配置中的低效时间使用。通过将反应方案高效地编程到控制系统中，给定区的温度可以在液滴在不同区域中“忙于做别的事情”时改变，例如当在EWOD器件的不同位置中执行液滴操纵方案的一部分或策划步骤时。[0110]结果是协同效应，通过该协同效应，可以在时间和空间上以增强的效率执行多个序列反应的液滴方案，从而与常规配置相比，可以在给定的时间内和在更小的器件区域中执行更多的液滴处理步骤。本发明的益处特别适用于由低热导率的优选基板材料诸如玻璃或类似材料构造的器件。低热导率意味着EWOD通道的热区可以在空间上紧靠在一起。使用玻璃基板时的EW电极尺寸通常比使用其他基板材料例如，印刷电路板PCB时的要小。因此，玻璃EWOD器件可以操作更小的液滴并且更加空间高效。从热量的角度实现高效使用器件区域，从而在整体较小的器件中实现效率的全面实现。[0111]因此，特别是结合采用玻璃基板的EWOD器件，实现了意想不到的和增强的结果，这对于高质量的AM-EWOD器件是优选的。由于与制造TFT背板相关联的成本，通过减小芯片面积来降低成本是本发明实现的协同优点。AM-EWOD器件优选地用玻璃基板构成，这是因为玻璃基板是用于显示器的标准基板材料并且因此是AM-EWOD制造工厂中可用的基板材料。此夕卜，具有大量的阵列元件和高度可配置性的AM-EWOD器件特别适合于执行复杂的液滴操纵方案，例如，包括下触式PCR的PCR。这种高复杂度的液滴操作方案通常需要在一定范围的不同温度下的步骤，并因此特别利用了本发明的优点。[0112]本发明的各种方案的其他优点可以包括以下中的一个或多个。系统中的两个物理热区的占地空间可以实现三个或更多温度区，其中需要保留空间以提高吞吐量或大量的并行操作。可以通过将热区（在不同温度下之间的液滴移动与由液滴占据时的热区的温度变化组合来实现经历反应序列的生化化学反应的液滴的最佳温度分布。这使得所需的液滴温度分布能够在最小的空间内以最有利的温度接近速率°Cs进行优化。[0113]给定热区的温度可以在液滴处于另一热区的时间期间被重新均衡。然后，当液滴从另一温度区通过EWOD致动到达给定热区时，该给定热区则将处于化学生化反应或反应序列的下一步的最佳温度下，这节省了时间并因此增加了吞吐量。[0114]液滴温度分布可以通过重复热区温度循环来进行循环。热区循环的频率可以与液滴温度循环的频率相同或不同。此外，可以针对重复的反应温度循环优化器件区域的使用率。沿着“存在和返回”一维线性路径的EWOD液滴操纵可以获得三个或更多个不同的反应温度而没有成回路的液滴移动，即不需要二维液滴路径，其中二维液滴路径提供了简化的操作和空间节省。[0115]热区的温度可以在液滴经过给定热区之前、之后或期间变化。通过在热区之间电润湿的快速移动实现快速液滴温度变化。液滴很小，因此与它们的周围环境迅速达到热均衡。[0116]特别考虑PCR，对于最佳PCR，反应混合物通常必须循环通过三个不连续的温度35至45次，例如，用于使双链DNA变性的95°C，用于使ssDNA的引物退火的55-60°C以及用于新DNA链的最佳延伸的70-75Γ。本发明的用于EW㈤上进行PCR的器件和方法提供了优化的反应温度分布和最小化的热控制空间要求。此外，对于下触式PCR，通过将经由可变温度热区的液滴温度控制和通过电润湿在热区之间移动液滴的方法相结合，大大有助于针对此过程定义液滴温度分布。该过程有利于从具有最高互补性的引物DNA模板对扩增形成，从而减少非特异性产物的形成。[0117]因此，本发明的一个方面是被配置用于通过组合空间和时间温度控制来进行增强温度控制的微流控系统。在示例性实施例中，微流控系统包括介质上电润湿EWOD器件，其包括被配置为接收一个或多个液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制施加到元件阵列的致动电压以执行关于液滴的操纵操作；以及多个热控制元件，位于沿EWOD器件的不同空间位置处，至少一个热控制元件的温度相对于时间可变。所述控制系统包括热控制单元，所述热控制单元被配置为控制所述多个热控制元件的温度以生成位于沿着所述EWOD器件的不同空间位置处的多个热区，通过随时间改变温度可相对于时间变化的至少一个热控制元件的温度，至少一个热区的温度可相对于时间变化。微流控系统还可以包括以下特征单独或组合中的一个或多个。[0118]在微流控系统的示例性实施例中，热控制单元被配置为根据EW㈤器件的EWOD通道内的液滴的位置来控制至少一个热区中的温度，其中所述至少一个热区的温度可相对于时间变化。[0119]在微流控系统的示例性实施例中，多个热控制元件的温度是相对于时间可变的，并且热控制单元被配置为控制多个可变热控制元件以相对于时间改变多个热区的温度。[0120]在微流控系统的示例性实施例中，热控制单元被配置为控制至少一个热控制元件以将至少一个热区维持在恒定温度。[0121]在微流控系统的示例性实施例中，EWOD器件包括限定接收一个或多个液滴的EWOD通道的第一基板组件和第二基板组件，且多个热控制元件位于所述基板组件之一或二者的外表面上。[0122]在微流控系统的示例性实施例中，EWOD器件包括限定接收一个或多个液滴的EWOD通道的第一基板组件和第二基板组件，且多个热控制元件位于所述基板组件之一或二者内。[0123]在微流控系统的示例性实施例中，多个热控制元件包括可由热控制单元控制以执行加热或冷却之一的热控制元件。[0124]在微流控系统的示例性实施例中，多个热控制元件包括可由热控制单元控制以执行加热和冷却二者的热控制元件。[0125]在微流控系统的示例性实施例中，热控制元件包括焦耳加热元件、电阻加热元件和或珀耳帖效应元件。[0126]在微流控系统的示例性实施例中，微流控系统还包括液滴传感器，用于感测EWOD器件的EWOD通道内液滴的位置。[0127]本发明的另一方面是一种用于使用介质上电润湿EWOD器件来执行反应方案的控制方法，其中所述EWOD器件具有通过组合空间温度控制和时间温度控制而增强的温度控制。在一个示例性实施例中，所述控制方法包括以下步骤:在由EWOD器件限定的EWOD通道内接收液滴;在EWOD通道内的第一空间位置处生成第一热区，第一热区被控制为具有第一温度;在所述EWOD通道内的第二空间位置处生成第二热区，其中所述第二空间位置不同于所述第一空间位置，所述第二热区被控制为具有可随时间变化的第二温度；随时间改变所述第二热区的温度；以及将致动电压施加到EWOD器件的元件阵列，以在第一热区和第二热区之间移动液滴，其中液滴的温度呈现第一热区或第二热区中液滴所在的那个热区的温度。控制方法还可以包括以下特征单独或组合中的一个或多个。[0128]在控制方法的示例性实施例中，第二热区的温度根据EWOD通道内液滴的位置而随时间变化。[0129]在控制方法的示例性实施例中，当液滴位于第一热区中时，改变第二热区的温度。[0130]在控制方法的示例性实施例中，当液滴位于第二热区中时，改变第一热区的温度。[0131]在控制方法的示例性实施例中，第一热区的温度在反应方案期间保持恒定。[0132]在控制方法的示例性实施例中，控制方法还包括在反应方案期间随时间改变第一热区中的温度。[0133]在控制方法的示例性实施例中，控制第一热区和第二热区的温度以控制液滴的温度在反应方案内的多个液滴热循环上周期性地变化。[0134]在控制方法的示例性实施例中，控制第一热区和第二热区的温度以在执行热循环之前控制液滴的温度经历一系列温度改变。[0135]本发明的另一方面是一种使用介质上电润湿EWOD器件来执行经由聚合酶链反应PCR的核酸扩增的方法，其中所述EWOD器件具有通过组合空间温度控制和时间温度控制而增强的温度控制。在一个示例性实施例中，所述PCR包括以下步骤:在由EWOD器件限定的EW㈤通道内接收液滴，所述液滴包含核酸，并执行PCR循环。PCR循环包括:在所述EW㈤通道内的第一空间位置处生成第一热区，所述第一热区被控制为具有用于执行变性步骤的第一温度，并将所述液滴移动到所述第一热区；在第一热区中使核酸变性;在所述EWOD通道内的不同于第一空间位置的第二空间位置处生成第二热区，所述第二热区被控制为具有用于执行对引物退火的步骤的第二温度，并将所述液滴移动到所述第二热区；在第二热区中对核酸的引物进行退火；当液滴处于第二热区时，将第一热区的温度重新均衡至第三温度以执行核酸聚合，并将液滴移动到第一热区；以及在第一热区中对核酸进行聚合。PCT方法还包括通过重复PCR循环直到核酸扩增完成为止来执行多个PCR循环。[0136]在示例性实施方式中，PCR方法可以是进一步包括以下步骤的下触式PCR方法:在多个PCR循环的第一部分的每个PCR循环中，从比引物熔融温度高HTC的温度开始在1_2°C之间调整第二热区中的引物退火的温度;在多个PCR循环的第二部分的每个PCR循环中，维持第二热区中的引物退火的温度恒定，其中所述多个PCR循环的第二部分在所述多个PCR循环的第一部分之后。[0137]虽然已经关于特定优选实施例示出并描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图后本领域技术人员可以想到等同替换和修改。具体地，关于由以上描述的元件组件、装配件、设备、组成等执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这些元件的术语包括对“装置”的引用）意在与执行所描述的元件的指定功能的任何元件相对应即，功能上等同），即使结构上与执行本发明的本文中示例性一个或多个实施例中的所述功能的所公开结构不等同。另外，虽然上文可能已经仅针对若干实施例中的一个实施例描述了本发明的具体特征，但是这种特征可以与其他实施例中的对于任何给定或具体应用而言可以是想要的和有利的一个或多个其它特征相组合。[0138]工业实用性[0139]所描述的实施例可以用于提供增强的AM-EWOD器件。AM-EWOD器件可以形成芯片上实验室系统的一部分。这样的器件可用于操纵、反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括医疗诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、用于在生命科学和法医学中进行研究的工具。[0140]附图标记列表[0141]10-下基板[0142]12-元件电极[0143]12A-元件电极[0144]12B-元件电极[0145]14-液滴[0146]16-顶基板[0147]18-间隔物[0148]20-非极性围绕流体[0149]22一绝缘体层[0150]24—第一疏水涂层[0151]26-接触角[0152]28-第二疏水涂层[0153]30-参考电极[0154]32-读取器[0155]34-盒[0156]35-外部传感器模块[0157]36-EW0D或AM-EWOD器件[0158]38-控制电子器件[0159]40-存储器件[0160]42-连接线的电缆[0161]44-下基板[0162]46-薄膜电子器件[0163]48-元件电极[0164]48A-元件电极[0165]48B-元件电极[0166]50-电极或元件阵列[0167]52-液滴[0168]54-顶基板[0169]56-间隔物[0170]58-参考电极[0171]60-非极性流体[0172]62-绝缘体层[0173]64-第一疏水涂层[0174]66-接触角[0175]68-第二疏水涂层[0176]70A-存在液滴的电学负载[0177]70B-没有液滴的电学负载[0178]72-阵列元件电路[0179]74-集成行驱动器[0180]76-列驱动器[0181]78-集成传感器行寻址[0182]80-列检测电路[0183]82-串行接口[0184]84-电压源接口[0185]86-连接线的数量[0186]88-致动电路[0187]90-液滴或阻抗感测电路[0188]100-示例性微流控系统[0189]102-控制系统[0190]104-EW0D器件[0191]106-EW0D通道[0192]108-液滴[0193]110-非极性流体[0194]112-第一顶基板组件[0195]114-第二底基板组件[0196]116-间隔物[0197]118-流体输入结构[0198]122-EW0D控制单元[0199]124-热区控制单元[0200]126-第一热控制元件[0201]127-第一热区[0202]128-第二热控制元件[0203]129-第二热区[0204]200-第一热区的温度分布[0205]202-第二热区的温度分布[0206]204-液滴温度分布

权利要求：1.一种微流控系统，包括：介质上电润湿EWOD器件，其包括被配置为接收一个或多个液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制施加到元件阵列的致动电压以执行关于液滴的操纵操作；以及多个热控制元件，位于沿EWOD器件的不同空间位置处，至少一个热控制元件的温度能够相对于时间变化，其中所述控制系统包括热控制单元，所述热控制单元被配置为控制所述多个热控制元件的温度以生成位于沿着所述EWOD器件的不同空间位置处的多个热区，其中通过随时间改变温度能够相对于时间变化的至少一个热控制元件的温度，至少一个热区的温度能够相对于时间变化。2.根据权利要求1所述的微流控系统，其中热控制单元被配置为根据EWOD器件的EWOD通道内的液滴的位置来控制至少一个热区中的温度，其中所述至少一个热区的温度能够相对于时间变化。3.根据权利要求1-2中任一项所述的微流控系统，其中多个热控制元件的温度能够相对于时间变化，并且热控制单元被配置为控制多个可变热控制元件以相对于时间改变多个热区的温度。4.根据权利要求1-3中任一项所述的微流控系统，其中热控制单元被配置为控制至少一个热控制元件以将至少一个热区维持在恒定温度。5.根据权利要求1-4中任一项所述的微流控系统，其中EWOD器件包括限定接收一个或多个液滴的EWOD通道的第一基板组件和第二基板组件，且多个热控制元件位于所述基板组件之一或二者的外表面上。6.根据权利要求1-4中任一项所述的微流控系统，其中EWOD器件包括限定接收一个或多个液滴的EWOD通道的第一基板组件和第二基板组件，且多个热控制元件位于所述基板组件之一或二者内。7.根据权利要求1-6中任一项所述的微流控系统，其中多个热控制元件包括能够由热控制单元控制以执行加热或冷却之一的热控制元件。8.根据权利要求1-7中任一项所述的微流控系统，其中多个热控制元件包括能够由热控制单元控制以执行加热和冷却二者的热控制元件。9.根据权利要求1-8中任一项所述的微流控系统，其中热控制元件包括焦耳加热元件、电阻加热元件和或珀耳帖效应元件。10.根据权利要求1-9中任一项所述的微流控系统，还包括液滴传感器，用于感测EWOD器件的EWOD通道内液滴的位置。11.一种使用介质上电润湿EWOD器件执行反应方案的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：在由EWOD器件限定的EWOD通道内接收液滴；在所述EWOD通道内的第一空间位置处生成第一热区，所述第一热区被控制为具有第一温度；在所述EWOD通道内的第二空间位置处生成第二热区，其中所述第二空间位置不同于所述第一空间位置，所述第二热区被控制为具有能够随时间变化的第二温度；随时间改变所述第二热区的温度；以及将致动电压施加到EWOD器件的元件阵列，以在第一热区和第二热区之间移动液滴，其中液滴的温度呈现第一热区或第二热区中液滴所在的那个热区的温度。12.根据权利要求11所述的控制方法，其中第二热区的温度根据EWOD通道内液滴的位置而随时间变化。13.根据权利要求11-12中任一项所述的控制方法，其中当液滴位于第一热区中时，改变第二热区的温度。14.根据权利要求11-13中任一项所述的控制方法，其中当液滴位于第二热区中时，改变第二热区的温度。15.根据权利要求11-14中任一项所述的控制方法，其中第一热区的温度在反应方案期间保持恒定。16.根据权利要求11-14中任一项所述的控制方法，还包括在所述反应方案期间随时间改变所述第一热区中的温度。17.根据权利要求11-16中任一项所述的控制方法，其中控制第一热区和第二热区的温度以控制液滴的温度在反应方案内的多个液滴热循环上周期性地变化。18.根据权利要求17所述的控制方法，其中控制第一热区和第二热区的温度以在执行热循环之前控制液滴的温度经历一系列温度改变。19.一种使用介质上电润湿EWOD器件经由聚合酶链式反应PCR执行核酸扩增的方法，所述PCR方法包括以下步骤：在由EWOD器件限定的EWOD通道内接收液滴，所述液滴包含核酸；执行PCR循环，包括：在所述EWOD通道内的第一空间位置处生成第一热区，所述第一热区被控制为具有用于执行变性步骤的第一温度，并将所述液滴移动到所述第一热区；在所述第一热区中使核酸变性；在所述EWOD通道内的不同于第一空间位置的第二空间位置处生成第二热区，所述第二热区被控制为具有用于执行对引物退火的步骤的第二温度，并将所述液滴移动到所述第二热区；在所述第二热区中对核酸的引物进行退火；当液滴处于第二热区时，将所述第一热区的温度重新均衡至第三温度以执行核酸聚合，并将所述液滴移动到所述第一热区；以及在所述第一热区中对核酸进行聚合；以及通过重复PCR循环直到核酸扩增完成为止来执行多个PCR循环。20.根据权利要求19所述的PCR方法，还包括：在多个PCR循环的第一部分的每个PCR循环中，从比引物熔融温度高10°C的温度开始在1-2°C之间调整第二热区中的引物退火的温度；以及在多个PCR循环的第二部分的每个PCR循环中，维持第二热区中的引物退火的温度恒定，其中所述多个PCR循环的第二部分在所述多个PCR循环的第一部分之后。

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